ersa1 - Hochschule Trier

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Temperaturregelung für Ersa-Lötkolben ohne Temperatursensor.
Auf dem Flohmarkt sind immer wieder preiswert Ersa Lötkolben und Heißluftlötkolben zu
haben, doch leider ohne die zugehörige Versorgungseinheit. So habe ich einen Heißluftkolben
sehr günstig erstanden. Leider war die dazugehörige Versorgungseinheit im Handel so teuer,
das ich mich entschlossen habe selbst eine zu konstruieren.
Davon handelt dieser Artikel.
Die Firma Ersa bieten bei ihren Lötstationen zwei verschiedene Verfahren der
Temperaturerfassung an. In der teureren Schiene ( MS8000 ) nennt man es „Sensortronik“.
Diese Serie hat in den Lötkolben an der Spitze einen Temperatursensor, welches über
getrennte Leitungen die tatsächliche Temperatur des Lötkolben an die Versorgungseinheit
zurück meldet.
Die preiswertere Serie ( MS6000 ) gelangt das „Resitronik“ Verfahren zum Einsatz. Es hat
keinen eigenen Temperatursensor, sondern es nutzt die Tatsache aus das das Heizelement mit
zunehmender Temperatur hochohmiger wird. ( PTC-Verhalten ).
In der Tat besitzen alle Ersa Lötkolben, die für eine Station bestimmt sind, keine
Drahtwicklung mehr, sondern ein keramisches Heizelement.
Der Heißluftkolben HSP80 arbeitet ebenfalls nach dem „Resitronik“ Verfahren, da die zu
erhitzende Luft durch das Innere des Heizröhrchen geleitet wird und ein Temperaturfühler
somit im Weg wäre.
Vermutlich ist es bei anderen Lötkolbenherstellern mittlerweile auch üblich
Keramikheizelemente zu verwenden so das dieser Artikel auch auf andere Lötkolben
anwendbar wäre.
Bevor ich mit dem Entwurf einer Schaltung beginnen konnte , musste ich erst mal den
Widerstandsverlauf über die Temperatur des Lötkolbens erfassen.
Dazu habe ich den Temperaturfühler ( Chrom-Nickel-Chrom )eines digitalen
Temperaturmessgerätes in die Luftaustrittsöffnung des Lötkolbens bis etwa in die Mitte des
Heizröhrchen geschoben. Mit einen digitalen Ohmmeter habe ich erst den Kaltwiderstand bei
21°Celsius gemessen . Der Wert liegt bei etwa 2,4 Ohm. Dan habe ich den Lötkolben einfach
an ein regelbares Netzteil angeschlossen und bei 100° , 200°, 300° und 400° den Lötkolben
abgeklemmt und sofort ans Ohmmeter angeschlossen. Heraus kam ein Temperaturkoeffizient
von ziemlich genau 1 Ohm / 100° Celsius. Das heißt alle 100° Celsius Temperaturerhöhung
erhöht sich der Widerstand um 1 Ohm. Lötkolben anderer Hersteller verhalten sich vermutlich
ähnlich. Einfach ausprobieren.
Es war mir sofort klar, das die Temperaturerfassung nur in einer Brückenschaltung geschehen
kann.
Zwei Probleme sind zu lösen.
1. Wie messe ich in einer Brücke den Widerstand, des Heizelementes, wenn ich doch
gleichzeitig heizen will?
2. Wie regele ich die Heizleistung ohne riesige Verlustleistungen zu erzeugen.
Die Lötstationen regeln die Heizleistung in der Regel mit einer Impulspaketsteuerung mit
Hilfe eines Triac. Weil das Heizelement aber in diesem Falle auch als Sensor in einer
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Brückenschaltung herhalten muss, welches mit einer stabilisierten Gleichspannung arbeitet,
verbot sich der Einsatz eines Triac. Anstelle einer Impulspaketsteuerung kann man ebenso
einen Pulsbreitenmodulator verwenden. Auch in diesem Falle tritt keine nennenswerte
Verlustleistung auf.
Zur Schaltung selbst.
Das IC U1 NE5532 erzeugt eine Dreieckförmige Spannung dessen Frequenz auf etwa
100Hz festgelegt ist. Das IC U2 arbeitet als Komparator und vergleicht die Regelspannung
mit der Dreieckförmigen Spannung aus IC U1. Je größer die Regelspannung wird desto
breiter werden die Positive Halbwellen des Rechteckes am Ausgang des Komparators. Mit
dem Trimmer R1 stellt man die maximale Pulsbreite so ein das noch eine Pulspause von etwa
5% bei maximaler Regelspannung übrig bleibt.
Dieses pulsbreitenmoduliertes Rechtecksignal steuert den Transistor Q1 IRFZ44.
Dieser legt die –24V Spannung ( JP4 ) an das Heizelement ( JP1 ) .
Das Heizelement heizt in dieser Phase.
Während der 5% breiten Pulspause ist der Transistor Q1 hochohmig und das Heizelement
bildet mit den Widerständen R13, R14, R3 eine Brückenschaltung.
Eine Widerstandsänderung des Heizelementes an JP1, bedingt durch die
Temperaturerhöhung, bringt die Messbrücke aus dem Gleichgewicht. Die Brückenspannung
dieser Messbrücke wird durch IC U3 verstärkt.
Mit R3 stellt man die Spannung an Ausgang IC U4 bei kalten Lötkolben auf etwa 210 mV
ein.
Am Ausgang von IC U3 erscheint weiterhin das pulsbreitenmoduliertes Rechtecksignal ,
dessen Spannung am Boden des Rechtecksignals aber die Höhe der Temperatur
wiederspiegelt.
Es interessiert also nur die Spannung am Boden des Rechtecksignals. Das Rechtecksignal
selber wird in der folgende Sample and Hold Schaltung ausgetastet.
Dazu wird das Signal am Ausgang des IC U2 mit dem Transistor Q2 invertiert und der
Transistor Q3 angesteuert. In den Pulspausen ist Q3 niederohmig und der Kondensator C2
wird mit der Ausgangsspannung von IC U3 aufgeladen. Während der Heizperiode sperrt der
Transistor Q3 und die gespeicherte Ladung von C2 wird mit dem IC U4 hochohmig
abgegriffen. Am Ausgang IC U4 erscheint die reine Temperatur als Spannung. Hier könnte
man auch ein Digitalvoltmetermodul für die Temperaturanzeige anschließen.
Das IC U5 dient als Integrator und vergleicht den Sollwert mit dem Istwert aus IC U4 und
liefert die Regelspannung für den Pulsweitenmodulator.
Der Sollwert wird mit dem Poti an dem Anschluss JP2 vorgegeben.
R23 optimiert das Überschwingen bei einem Wechsel des Sollwertes.
Aufbauhinweise.
Es wurde eine doppelseitige Platine erstellt. Man wird zuerst die kleinsten Bauteile bestücken.
Dazu zählen Widerstände und Dioden. Leiterbahnen und Masseflächen auf der
Bestückungsseite sind mit den Bauelemente zu verlöten. Es gibt bei der Fa Bürklin ICFassungen mit gedrehten Kontakten dessen Anschlüsse über der Platine ein wenig länger sind,
so das die Fassungen etwa 1mm über der Platine stehen. Dadurch lassen sich die IC-
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Fassungen mit Hilfe von 0,5mm dicken Lötzinn leichter an die Leiterbahnen der
Bestückungsseite verlöten. Sie sind als nächstes zu bestücken. Die Platine wird nach dem
sie fertig bestückt und verlötet ist mit dem Leistungstransistor und den beiden
Spannungsregler isoliert an die Alurückwand des Gehäuses befestigt.
Der Gleichrichter des Leistungsteiles befindet sich nicht auf der Platine er ist mit etwa
10 Ampere zu dimensionieren und zur Kühlung auf die Rückwand zu befestigen.
Es wurden 2 Netztrafos verwendet, da es im Handel einen Netztrafo mit 3 Wicklungen nur als
Sonderanfertigung zu entsprechende Preisen gibt.
Der Haupttrafo sollte Sekundär 24 Volt 10 Ampere abgeben können, für den kleineren Trafo
reicht 2*15Volt 500mA
Die Inbetriebnahme.
Zunächst bestückt man die ICs nicht , und kontrolliert ob an den entsprechenden
Stromversorgungspins der IC-Sockel +12Volt bzw. –12Volt liegen. Ist bis hier alles OK, dann
kann man ( nach Abschalten der Netzspannung ) IC U1 bestücken. Nach dem Einschalten
dreht man an dem Widerstand R5 solange , bis an IC U1B Pin 7 mit einem Oszillografen eine
einwandfreie Dreieckspannung von etwa 20VSS zu messen ist.
Jetzt wird IC U2 bestückt und an JP1 wird ein Widerstand 4Ohm 100 Watt angeschlossen.
In den Sockel IC U5 steckt man eine Drahtbrücke zwischen Pin 7 und Pin 6.
Mit R1 kann man die Pulsbreite des Ausgangssignals an IC U2 stufenlos zwischen
0 % (also –12V DC ) und 100 % ( also +12V DC ) einstellen.
Ist bis hier alles OK dann kann man IC U3 bestücken und statt den 4 Ohm Widerstand den
Lötkolben an JP1 anschließen.
R1 wird der Schleifer auf –12V gestellt. Am Ausgang von IC U2 muss eine Gleichspannung
von –12Volt zu sehen sein es darf kein Rechteck erscheinen. Am Ausgang IC U3 ist jetzt eine
mehr oder weniger hohe Gleichspannung zu messen. Mit R3 stellt man sie auf etwa 210mV
ein vorausgesetzt der Lötkolben hat Zimmertemperatur.
Jetzt kann man für einen ganz kurzen Moment mal R1 ein wenig aufdrehen.
Sofort erscheint am Ausgang von U3 ein Rechtecksignal dessen Bodenspannung jetzt mit
zunehmender Lötkolbentemperatur ansteigt.
Wenn man R1 wieder auf – 12Volt dreht verschwindet das Rechtecksignal an Ausgang IC U3
und übrig bleibt eine entsprechend der Temperatur angestiegene Gleichspannung.
Wenn bis hier alles OK ist kann man U4 bestücken. ( Das abschalten nicht vergessen! ).
Ein Rechtecksignal welches man beim Aufheizen am Ausgang IC U3 sieht, muss am
Ausgang von IC U4 vollständig verschwinden. Es darf nur noch eine sich mit der Temperatur
ändernde Gleichspannung sichtbar werden.
Ist auch bis hier alles OK kann nach entfernen der Drahtbrücke in der IC-Fassung IC U5
bestückt werden.
Jetzt sollte die Regelung komplett funktionieren. Man beobachtet mit dem Oszillograf die
Ausgangsspannung von IC U2. Dreht man das Sollwertpoti in Richtung höhere Temperatur
sollte augenblicklich die Pulsbreite größer werden, um bei Erreichen der Temperatur sofort
wieder auf fast 0 zu gehen.
Dreht man die Temperatur wieder runter wird die Pulsbreite 0. Ein Atmen der Pulsbreite bei
großen Temperaturerhöhungen lässt sich mit dem Widerstand R23 optimieren. Ist er zu groß,
dann wird das Signal ein paar mal in der Pulsbreite atmen. Ist er zu klein wird die Regelung
langsamer und es bleibt ein Regelfehler übrig. Mit R1 stellt man ein das bei einem Aufheizen
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von Zimmertemperatur auf maximale Temperatur die Pulsbreite während des Aufheizens
maximal 95% ist. Die restlichen 5% braucht die Sample & Hold Schaltung.
Mit R22 kann die maximale Temperatur festgelegt werden.
Zum Schluss wieder der viel zitierte Hinweis.
Die VDE 0100 verlangt nun mal das der Schutzleiter so anzuschließen ist, das er von außen
nicht zu lösen ist. Am besten man bringt die Befestigungsschraube des Schutzleiters an einer
Stelle an wo sie von außen nicht zugänglich ist. Auch müssen sämtliche von außen berührbare
Blechteile einwandfrei vom Schutzleiter erfasst sein. Mit einen Ohmmeter kann man das
messen. Der Widerstand zwischen Schutzleiteranschluss des Netzsteckers und jedem von
außen berührbaren Metallteil darf 0,3 Ohm nicht überschreiten.230Volt führende Leitungen
müssen mit einem Querschnitt von mindestens 0,75qmm dimensioniert sein. Auch das steht in
den VDE Vorschriften. Die Primärseite der Trafos sind mit einer Sicherung abzusichern. Der
Wert beträgt 1,6Amp träge. Der Netzschalter sollte zweipolig ausgeführt sein. Die Leitungen
welche den Strom für den Lötkolben führt, sollten mit mindesten1qmm dimensioniert sein.
Bei meiner Lötstation ist noch eine in der Luftmenge stufenlos einstellbare Pumpe ( mit
einem Gleichstrommotor aus dem Flugmodellbau und einen Tachogenerator als Istwertgeber )
für die Heißluft und zwei Digitalanzeigen für die Luftmenge und die Temperatur eingebaut.
Für die Pumpensteuerung wurde aus der gleichen Schaltung nur der Pulsbreitenmodulator und
der Soll Ist Vergleicher übernommen die Digitalanzeige ist in dem Artikel „Regelbares
Netzteil für alle Fälle“ Funkamateur Heft 5 und 6 2003 beschrieben.
Literatur
[1] Berres, R., DF6WU: Regelbares Netzteil für alle Fälle, Funkamateur 52 (2003) H. 5.
S. 472-474 H. 6. S. 574-578
[2] Bürklin: Homepage. WWW.Bürklin.com
[3] Ersa: Homepage. WWW.Ersa.de